競合する複数スレッドからグローバル変数の参照・更新。スレッドセーフでないことの確認

パソコン

2021.10.03

プログラミングのお話です。

社内で使っているツールのソースコードにスレッドセーフでない処理があったので、それを管理者に話したら「スレッドが競合する瞬間なんてまれだよ。確率はほぼゼロだから、これでいい！」と言い切られました。

そこで「確率は低いかもしれんけど、スレッドセーフでないから不具合は起きる」ということを説明するために小さなコードを書きました。

その記録です。

1 スレッド競合の内容
2 敵の言い分
3 スレッド競合が起きるサンプルコード
4 スレッドセーフにするには
5 まとめ

スレッド競合の内容

今回見つけたスレッド競合の内容は、次のようなものです。

複数のワーカースレッドから共通のグローバル変数を参照・更新する。
あるグローバル変数が=falseだった時のみ、ワーカースレッドで某処理Aを行う。
某処理Aの開始時にグローバル変数=trueに更新する（つまり他スレッドの処理を排他する）。
処理A終了時にグローバル変数=falseに戻す。

まあよく見るコードで、意図はわかります。
某処理Aの部分だけ、排他的に（シーケンシャルに）実行したいのです。

しかし、そのグローバル変数の参照・更新処理時には、スレッド間の競合を防止するコードが何も入っていませんでした。なのでグローバル変数=falseだと思って処理を開始しても、その瞬間に別スレッドがグローバル変数=trueに更新するかもしれません。全くスレッドセーフではありません。

敵の言い分

「コレまずいでしょ」と思って、そのソースコードの管理者に話をしたら「スレッドが競合する瞬間なんてまれだよ。確率はゼロに等しいから、これでいい！」と言い切りました。

「いやいや、まずいでしょ」と説明したのですが、コード管理者は「理論的にはスレッドセーフじゃなくても、現実には競合は起きないから問題ない」の一点張り。

なので、現実にワーカースレッドが競合するサンプルコードを作ってみました。

スレッド競合が起きるサンプルコード

サンプルは Visual Studio 2019 Community Edition で作成しました。

その主要部分はこちら。

/*****************************************************
* worker thread
*****************************************************/
UINT WorkerThread(LPVOID arg)
{
    DWORD thread_id = GetCurrentThreadId();
    ::printf("＞＞[%08X] スレッド開始\n", thread_id);

    unsigned int cnt = 0;
    bool l_flag = false;

    while (cnt++ < MAX_LOOP) {
        
        if (g_flag == false) {  /* (1) 某処理Aが実行できるか確認 */

            /* 別スレッドを排他するつもり */
            g_flag = true;      /* (2) 排他開始 */

            if (g_flag == false) {  /* (3) */
                /* (2)と(3)の間に、別スレッドが割り込んで g_flag = false に更新した！ */
                ::printf("[%08X] 割り込み発生：cnt=%u\n", thread_id, cnt);

                /* 割り込まれた回数をカウントする */
                InterlockedIncrement(&g_intcnt);
            }
            else {
                /* ok */
            }

            /* (*4) 某処理A */
            /* 例えば・・・ */
            double a = 100*3.14;

            /* (*5) 排他解除 */
            g_flag = false;
        }
        else {
            /* do nothing */
        }
    }
    ::printf("＜＜[%08X] スレッド終了\n", thread_id);
    return 0;
}

（プロジェクト全体のzipファイルはこちらからダウンロード）

処理の概要は以下のとおりです。